Материал: МРБ 1096.(1986).[doc]

Цифровой вольтметр с подразрядным уравновешиванием (рис. 8). Работа такого вольтметра основана на последовательном сравнении значения изме­ряемого напряжения с рядом эталонных напряжений, значения которых разли» чаются по определенному закону (чаще всего по закону размещения разрядов в двоичной системе счисления), т. е.

U_x = U_эт (a_n2ⁿ + а_п—1 2^п—1 + ...+а₁2¹ + а₀2⁰).

где at принимает значение либо 0, ли­ло 1, а n представляет собой число двоичных разрядов разложения. Таким образом, для определения измеряемого напряжения U_x необходимо найти раз­рядные коэффициенты a₁.

Рис. 8. Структурная схема вольтмет­ра с поразрядным уравновешиванием

Один из вариантов решения этой задачи методом взвешивания и показан на рис. 8. Измеряемое напряжение со входного устройства поступает на один из входов компаратора. На второй его вход поступает напряжение из блока эталонных напряжений. Устройство уп­равления, определяющее алгоритм работы всего прибора, выдает в блок эталонных напряжений тактовые импульсы. В соответствии с тактовыми импульсами на компаратор последовательно пос­тупают эталонные напряжения, соответствующие разрядам кода. Цикл начи­нается со старшего, разряда. В компараторе измеряемое напряжение сравни­вается с эталонным, т. е. из U_x вычитается U_вт*2ⁿ. Если разность положи­тельна, то напряжение на выходе компаратора не меняется и устройство уп­равления не меняет своего режима работы. Оно вырабатывает следующий так­товый импульс, который к предыдущему Uэт*2ⁿ подключает напряжение сле­дующего, более младшего, разряда и т. д. Если же. после какого-либо такто­вого импульса разность становится отрицательной, то компаратор, переклю­чившись, воздействует на устройство управления, которое выдает в блок эта­лонных напряжений импульс, снимающий эталонное напряжение подключен­ного в этом такте разряда. Этот разряд пропускается. А в следующий такт подключается напряжение, соответствующее следующему, более младшему, разряду и т. д.

Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором эталонных напряжений. Эталонные напряжения, оставшиеся включен­ными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения U_x в оп­ределенном коде. С помощью дешифратора, входящего в устройство вывода, данный код преобразуется в десятичный, а число, соответствующее использо­ванному набору эталонных напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Приборы этого типа имеют высокую точность (при стабильных питаю­щих напряжениях) и высокое быстродействие.

Измерители постоянного тока. Они строятся на базе цифровых вольтмет­ров постоянного тока. Принцип измерения постоянного тока основан на изме­рении постоянного напряжения, образующегося на эталонном резисторе (шунте) за счет протекания через него измеряемого тока. Эталонные шунты, переклю­чаемые в зависимости от диапазона измерения, включаются в масштабный усилитель на интегральном ОУ. Рассчитывают шунты обычно так, чтобы паде­ние напряжения на них (при любом диапазоне измерения) не превышало 100 мВ при предельном значении измеряемого тока. Напряжение, усиленное масштабным усилителем, подается на цифровой вольтметр, выполненный по лю­бой из приведенных ранее структурных схем.

Рис. 10. Структурная схема цифрового измерителя С_х, Ь_х

В цифровом измерителе емкостей конденсаторов и индуктивностей кату­шек, структурная схема которого приведена на рис. 10, использован другой принцип преобразования измеряемого параметра в интервал времени. В пер­воначальный (после включения измерителя) момент времени триггер Шмитта вырабатывает отрицательный перепад напряжения. С выхода инвертирующего усилителя положительный перепад напряжения нормированной амплитуды заряжает конденсатор С_х через эталонный резистор R_an:. Напряжение на конден­саторе С_х растет до тех пор, пока оно не достигнет напряжения прямого пе­реключения триггера, после чего триггер переключится. На выходе инверти­рующего усилителя появится отрицательный перепад напряжения, конденсатор начнет разряжаться, ис уменьшится. При достижении ыс = Uвозв триггер возв­ратится в исходное состояние. Далее цикл повторяется.

Период следования Т выходных импульсов усилителя при фиксированных порогах срабатывания триггера и амплитуде выходных импульсов усилителя будет пропорционален постоянной времени RC цепи. При фиксированных зна­чениях R_ЭТ период Т пропорционален измеряемому значению С«. Период Т измеряется цифровым измерителем интервалов времени.

На этом же принципе основаны измерения индуктивностей катушек. При этом период Г будет пропорционален измеряемому значению L_x. При измере­нии индуктивности положительный перепад напряжения, формируемый на вы­ходе инвертирующего усилителя, через контакты переключателя S1.2 подается на цепь R_эт1, L_x. Вследствие появления ЭДС самоиндукции в катушке L_x напряжение на ней будет увеличиваться по экспоненциальному закону, стре­мясь к значению где Uвых — нормированное напряжение на выходе инвертирующего усилителя; R_L — сояротивление катушки индуктивности на постоянном токе.

Это напряжение усиливается усилителем и через контакты S1.1 подается на вход триггера Шмятта. Напряжение на L_x повышается до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя не достигнет напряжения прямого переключе­ния триггера Шмитта, после чего триггер переключится. На выходе инвертирую­щего усилителя появится отрицательный перепад напряжения. Но напряжение на катушке L_x спадает не мгновенно, а также по экспоненциальному закону. По истечении некоторого времени, определяемого постоянной времени R_эт1L_x, уменьшающееся напряжение на выходе усилителя достигнет U_Вовв и триггер Шмитта вернется в исходное состояние (напряжение низкого уровня на его выходе). Далее цикл повторяется.

На выходе инвертирующего усилителя будет формироваться последова­тельность импульсов с периодом следования, пропорциональным измеряемому значению L_x. Период следования измеряется цифровым измерителем интерва­лов времени.

Основные узлы цифровых измерительных приборов входные устройства

Принципиальная схема и характеристики входного устройства ЦИП определяют входные параметры прибора в целом. Основными характеристика­ми входного устройства являются входное сопротивление и входная емкость. Эти параметры определяются функциональным построением входного устройст­ва. Существуют приборы, входное сопротивление которых не является постоян­ным в течение цикла измерения. К этой группе относятся приборы с использо­ванием во входной цепи устройств с последовательной отрицательной обратной связью, а также с АЦП поразрядного кодирования, если вход АЦП является непосредственно входом прибора.

Часто во входных устройствах используются приборы с добавочным резис­тором или аттенюатором на входе прибора, определяющим его входное сопро­тивление на постоянном токе.

Входные аттенюаторы (делители). Они служат для расширения пределов измерения, ббычно их выполняют на микропроволочных резисторах (погреш­ность 0,02 — 0,05%). В последнее время стали применять резисторы С2-13, С2-29Т и резисторы на базе пленочной технологии (погрешность 0,01 — 0,02%). Погрешность делителя не устраняется в процессе калибровки прибора и может в несколько раз превосходить погрешность преобразователя или прибора в целом, В связи с этим обычно приводят данные о погрешности прибора на ос­новном пределе .и отдельно указывают погрешность делителя.

В приборах, предназначенных для измерения переменного напряжения, вопрос о расширении пределов измерения решается сложнее; здесь необходимо использовать частотно-независимые делители. Емкостные дeлиfeли имеют огра­ниченное применение. Чаще используют универсальные резистивно-емкостные делители, которые могут применяться как на постоянном, так и на переменном токе. Схема такого делителя приведена на рис. 11. Точность деления на посто­янном токе определяется примененными прецизионными резисторами. Коэффи­циент деления не будет зависеть от частоты переменного напряжения при ра­венстве постоянных времени параллельных RС-цепочек, т. е. C1R1 = C2R2 (тЛ = = т2).

Коэффициент деления

K= (Zl+Z2)/Z2= (R1+R2)/R2 = (С1+С2)/С1.

Рис. 11. Схема ча­стотно - компенсиро­ванного делителя

Рис. 12. Структурная схема входного устройства частотомера

Постоянные времени т1 и т2 в процессе настройки выравниваются под­строенными конденсаторами. При рациональном выборе типов конденсаторов и тщательной настройке частотно-компенсированного делителя погрешность его на переменном токе может быть сведена к 0,03 — 0,05%.

Грамотно разработанная схема и конструкция входного устройства в боль­шой степени определяет помехоустойчивость прибора, а также точность изме­рений при наличии значительных помех, особенно при малых измеряемых сиг­налах.

Входные устройства частотомеров. Во входном устройстве частотомера входные сигналы нормируются по амплитуде и крутизне фронтов. Здесь же выбирается соответствующий предел измерения сигналов по уровню и осуществ-. ляется коммутация полярности входных сигналов.

На рис. (12 представлена структурная схема входного устройства частотома­ра. Оно состоит из аттенюатора 1, усилителя постоянного тока 2, формирова­теля 3 и усилителя переменного тока 4 (для измерений синусоидальных сиг­налов).

Формирователь преобразует входной сигнал в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами и нормированной амплитудой, обеспечивает определенную помехозащищенность прибора. Как правило, формирователи строятся по схеме триггера Шмитта, усилителя-ограничителя или формирователя на туннельных диодах. На рис. 13 представлена принципиальная схема формирователя, вы­полненного на транзисторах VT1 — VT4. Формирователь может быть использо­ван до частот 15 МГц.

Схема формирователя, работающего до частот примерно 50 МГц, представ­лена на рис. 14. Формирователь включает в себя эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, цепь туннельного диода R4, VD1 и усилитель-ограничитель VT2, VT3. Ненасыщенный режим работы транзисторов усилителя-ограничителя VT2, VT3 и управление этим каскадом с помощью импульса, вырабатываемого туннельным диодом VD1, способствуют повышению быстродействия формирова­теля.

К основным параметрам усилителей входных устройств относятся входное сопротивление, допустимая неравномерность частотной характеристики и требуе­мый коэффициент усиления. Необходимое входное сопротивление обеспечивается при использовании эмиттерного повторителя или каскадов на полевых транзисторах. Высокое входное сопротивление можно получить также, включив резис­тор нужного сопротивления последовательно в цепь базы входного KacKaflav Наличие такого последовательно включенного резистора позволяет эффектив-но ограничивать уровни исследуемых сигналов. Допустимая неравномерность-частотной характеристики должна быть не более ±2 дБ. Для обеспечения тре­буемой АЧХ необходимо использовать местную отрицательную обратную связь.

Принципиальная схема усилительного каскада приведена на рис. 15. Кас­кад собран на транзисторах VT1 и VT2 с непосредственной связью. Транзис­тор VT1 включен по схеме OK, VT2 — по схеме ОЭ. Применение местной и общей отрицательных обратных связей позволяет получить хорошую стабильность-характеристик каскада при колебаниях питающего напряжения и температуры, Входное сопротивление каскада в основном определяется сопротивлением ре­зистора R1.

Рис. 13. Принципиальная схема формирователя (до 15 МГц)

Рис. 14. Принципиальная схема формирователя (до 50 МГц)

Коэффициент усиления всего тракта определяется исходя из необходимого­уровня сигнала, обеспечивающего надежное срабатывание формирователя (око­ло 0,5 В для синусоидального напряжения) и минимального входного напря­жения (обычно 0,1 В). Таким образом, коэффициент усиления в рабочей поло­се частот должен Выть около 6 (с 20%-ным запасом).

Рис. 15. Принципиальная схема входного усилительного каскада частотомера

Рис. 16. Принципиальная схеме» масштабного усилителя

Входное устройство вольтметров. Оно состоит из аттенюатора и масштаб­ного усилителя. Масштабирование напряжения осуществляется с помощью ат­тенюатора, если измеряемое значение превышает основной предел, и с помощью масштабного усилителя, если измеряются напряжения, в 3 — 10 раз меньше ос­новного предела. Иногда масштабный усилитель используется на всех преде­лах, но на пределах, больших основного, его коэффициент передачи равен 1. Масштабные усилители строятся на базе ОУ, характеризующихся большим (от 4 до 500 тыс.) коэффициентом усиления при разомкнутой петле обратной свя-«и. Принципиальная схема масштабного усилителя представлена на рис. 16.

При наличии на входе измеряемого напряжения U_x через резистор R1 те­чет ток Ix=Ux/R1. Напряжение обратной связи, снимаемое с делителя R3, R4, компенсирует этот ток. Благодаря малому дрейфу и большому коэффициенту усиления усилителя его выходное напряжение определяется только внешними элементами (резисторами):

K=U_Bblx/U_x=(R2/Rl)l(R3+R4)/R3),

где К — коэффициент передачи масштабного усилителя.

Изменение диапазона измерений осуществляется изменением номинала ре­зистора R1. Все резисторы должны иметь малый ТКС. Входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R1.

При использовании масштабного усилителя только для расширения преде­лов измерения в сторону малых значений, а также для обеспечения высокого входного сопротивления, независимого от предела, целесообразно использовать ОУ в неинвертирующем включении. При этом можно использовать его со встроенными полевыми транзисторами (К140УД8, К284УД1 и т. п.) или с внеш­ними. Принципиальная схема масштабного усилителя представлена на рис. 17. Его коэффициент усиления

K=(R5+R6)/R6=1+R5/R6.

Установка нуля прибора осуществляется обычно в узле масштабного усилите­ля.

Входными устройствами миллиамперметра и омметра являются многопре­дельные шунты и добавочные эталонные сопротивления соответственно.